[发明专利]一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法

说明书

本发明公开了一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法，包括：首先获取3DEC离散元数值模型区域的三维等高线地形图，然后对地形图进行插值和栅格化处理得到间距规则排列的离散点坐标数据，随后基于Fortran语言进行建模代码的编写和编译，实现栅格化离散点坐标数据生成为3DEC离散元数值模型命令流，最后采用3DEC程序读取模型命令流运行生成3DEC离散元数值模型。本发明计算高效、操作简单、灵活度高、便捷性好，能够对地形复杂且范围较大的研究区域进行高精度、多岩层、可变块体单元尺寸的三维离散元模型构建。

技术领域

本发明涉及岩土工程数值模拟研究领域，特别涉及一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法。

背景技术

3DEC是世界范围内第一款采用离散单元法作为基本理论进行开发并商业化的高级三维分析程序，特别适用于节理岩体等不连续介质的力学特性和破坏特征研究，目前在岩体工程领域得到广泛应用。岩体由岩块和结构面组成，3DEC程序数值模拟中将岩体视为介质离散的散体集合体，将岩体和结构面定义为两个基本单元；在连续介质力学方法基础上，引入接触(如结构面)的概念，把接触作为块体(如完整岩块)之间的边界，利用连续力学方法描述块体的力学行为、非连续力学方法描述接触的力学行为；采用接触算法搜索块体边界接触条件并计算接触受力状态，当接触出现屈服形成剪切滑动或张开时，块体发生运动位移(平动、转动)甚至破坏现象。因此，3DEC程序能够准确高效地模拟不连续介质在承受静载或动载作用时的力学响应，但是，其较弱的模型构建功能一直制约着程序的使用和普及。

3DEC离散元数值模型的块体单元数量决定了模型精度和计算效率。若块体单元数量较多，则数值模型模拟实际工程的精度较高，但是相应的程序计算时间亦较长，甚至超过计算机计算能力而不能计算。反之，若块体单元数量较少，则模型计算效率较高，但是模型模拟实际工程的准确性则相应降低。四面体和三棱柱块体是使用较多、精度较高的3DEC程序建模块体单元，在相同建模精度条件下，四面体块体单元建模所需数量是三棱柱块体单元的数倍，如图11所示。针对研究区域为小范围的模型，可以采用常用的四面体块体单元进行模型构建，块体适应性好，如采用Rhinoceros软件建立三维实体模型并通过Griddle插件进行网格处理生成3DEC模型，或采用专利号CN109242965B所述的通过Midas软件建模并基于C#语言的转换插件转换生成3DEC模型。但是对于研究区域为大范围的模型，若采用四面体块体单元建模往往导致块体数量较多，超过计算机计算能力而不能计算，所以采用三棱柱块体单元建模是更合理的选择。专利号CN107562833B所述的基于MATLAB软件插值处理地表曲面数据，通过三棱柱块体单元建立三维数值模型，只考虑了地表建模，不能实现多岩层模型的构建。论文《复杂地质体的3DEC快速建模》采用Surfer软件和Fish语言实现了地质体的3DEC快速建模，但是Fish语言具有其独特的源代码表达方式，对于一般工程技术人员来说，理解和操作都比较困难，难以推广使用。

Fortran语言是世界上第一个被正式推广使用的高级编程语言，应用历史长久，使用普及度高，尤其适用于数值计算领域，具有执行效率高、机密性好、标准化程度高等优点，因此，有必要发明一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法，具有计算高效、操作简单、灵活度高、便捷性好等优点，能够对地形复杂且范围较大的研究区域开展高精度、多岩层、可变块体单元尺寸的三维离散元数值模型构建。

为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于Fortran语言的3DEC离散元数值模型建模方法，包括以下步骤：

步骤a：获取3DEC离散元数值模型区域的三维等高线地形图；

通过考虑研究对象和边界条件的影响，确定3DEC离散元数值模型的研究区域，裁剪三维等高线地形图得到矩形平面形状的研究区域地形图，并对研究区域地形图的四周角点进行相应的高程点数据补充。